Вернуться к Горная промышленность и металлургия
мар 5, 2021

Электрохимическая очистка позволяет соблюдать строгие экологические требования по предельно допустимой концентрации элементов в промышленных сливах воды

Горно-обогатительные предприятия постоянно вынуждены искать способы снижения воздействия на окружающую среду и более экологически рациональные решения обогащения полезных ископаемых. Вода является важным ресурсом в процессе обогащения, рабочей средой , а также источником эксплуатационных и экологических рисков. Со снижением сортности руды увеличивается доля примесей, что влияет на качество сбросных вод. Технология электрохимической очистки является эффективным решением для очистки сточных вод благодаря удалению растворенных примесей, что позволяет соблюдать строгие экологические нормативы по предельно предельно-допустимой концентрации элементов в промышленных сливах воды.
Electrochemical water treatment (EWT) processes
Рис. 1. Принцип, лежащий в основе технологий ЭХОВ, весьма прост: электроды используются для воздействия на воду электрическим током с целью получения требуемой реакции.

Электричество уже применялось для очистки воды в течение последних десятилетий, но технологические ограничения и высокие эксплуатационные затраты в сравнении с другими способами обработки не позволили полномасштабно применять электричество в качестве основного метода очистки сточных вод. Однако ужесточение экологических ограничений на сброс сточных вод стало отличным стимулом для развития технологий электрохимической очистки воды (ЭХОВ).

Принцип, лежащий в основе технологий ЭХОВ, весьма прост: электроды используются для воздействия на воду электрическим током с целью получения требуемой реакции. Несмотря на всю простоту, предсказать результат такого воздействия весьма сложно, поскольку процесс протекает на стыке гидро- и электрохимии.

Различные виды ЭХОВ

Технологии ЭХОВ можно условно разделить на три различных вида:

  • электрокоагуляция (ЭК);
  • электрофлотация (ЭФ);
  • электроокисление (ЭО).

Однако четкой градации между этими видами нет, а некоторые авторы используют данные термины как синонимы, поэтому при чтении соответствующей литературы нужно быть особенно внимательным.

Наиболее известным из перечисленных методов является электрокоагуляция, при котором электричество используется для растворения металла из одноразового электрода (анода) в очищаемую воду. После чего растворенный метал вступает в реакцию как с примесями в воде, так и с самой водой, что приводит к коагуляции. При ЭХОВ в воду не добавляются соли, как при традиционной очистки осаждением. Наиболее распространенными материалами электродов для ЭК являются железо и алюминий благодаря их подтвержденной эффективности, невысокой стоимости и доступности.

В электроокислении в качестве анода используется инертный электрод, покрытый, например, титаном, или электрод из легированного бором алмаза. При ЭО вместо реакции растворения происходит образование кислорода в результате электрической диссоциации воды. В некоторых случаях возможно образования хлора, однако он легко вступает в реакцию с гипохлоритом, который ведет себя как сильный окислитель, повышая эффективность процесса.

Газы, выделяющиеся на электродах во время диссоциации воды при ЭХОВ, можно использовать для флотации образовавшихся частиц в случае ЭК или других примесей в воде. Этот процесс называется электрофлотацией. Обычно ЭФ рассматривается как часть ЭК или ЭО, однако она может использоваться в виде отдельного процесса.

Целевое применение ЭХОВ

В последнее время процессы ЭХОВ были изучены в различных отраслях и с учетом различных примесей. Наиболее популярным направлением исследований является удаление ионов металлов / гидроксидов, масел и органических веществ. В целом, по сравнению с традиционными методами очистки осаждением, технология ЭХОВ становится более конкурентоспособной по мере снижения концентрации примесей.

Основной потенциал технологии ЭХОВ заключается в доочистке сточных вод от веществ, которые трудно удалить при традиционной очистке методами осаждения, например, от таких оксианионов, как мышьяка, сурьма и селен, или остатков таких металлов, как кадмий, никель и медь.

Факторы, влияющие на ЭХОВ

Основными факторами, влияющими на ЭХОВ, являются плотность тока или подаваемый ток, а также время пребывания в камере или расход. Под полностью тока [А/м2] понимается количество тока, подаваемого на площадь поперечного сечения электрода; кроме того, это основной фактор, определяющий, какие электрохимические реакции будут происходить на поверхности электрода. От плотности тока также зависит интенсивность растворения электрода, образование пузырьков и потенциал в камере, поэтому рентабельность процесса очистки сильно зависит от этого фактора.

Загрузка материала [C/м3, As/м3] определяет количество электрической энергии, подаваемой на электролит по объему. Она прямо пропорциональна количеству растворенного электрода, и от нее зависит дозировка металла. Загрузка материала состоит из подаваемого тока и расхода, совмещая оба основных параметра техпроцесса. Также можно сказать, что загрузка материала является уровнем очистки технологического процесса.

Технология ЭХОВ подтвердила свою эффективность в широком диапазоне температуры и pH. Кроме того, процесс ЭХОВ естественным образом повышает уровень pH до слабощелочного (pH 8-9), нейтрализуя раствор и позволяя, как правило, выполнять прямой сброс. При проектировании системы ЭХОВ следует учитывать, что алюминиевые электроды легче поддаются пассивации при определенных уровнях pH, а электроды из железа более гибкие.

Окончательный уровень подаваемого тока и расхода зависит от состава очищаемой воды и требований к очистке. Поэтому проектирование и оптимизация процесса ЭХОВ должны выполняться с учетом определенной цели. Помимо этого, концентрации ионов (т.е. примесей) воздействуют на электропроводность воды и определяют напряжение системы и расходы на очистку.

Результаты и стоимость технологии ЭХОВ

Во всех следующих примерах уровень очистки означает загрузку материала. Как уже было сказано, наиболее эффективное применение технологии ЭХОВ — доочистка. Если изначально концентрация примесей составляет менее 10 мг/л, можно ожидать, что после обработки воды остаточный уровень примесей будет составлять 20 мкг/л. На Рис. 2 представлен пример воды, которая хорошо подходит для технологии ЭХОВ. Изначально в воде было не так много примесей, однако предел в сточных водах по никелю составляет 20 мкг/л. 

Пример шахтной воды с одной основной примесью, очищенной по технологии ЭХОВ
Рис. 2. Пример шахтной воды с одной основной примесью, очищенной по технологии ЭХОВ.

Конечно, в большинстве случаев в воде растворено гораздо больше соединений. На Рис. 3 показан порядок реакции для разных соединений. Например, мышьяк и никель вступают в реакцию раньше сурьмы. В целом ЭХОВ не является селективным методом, а результаты очистки зависят от общего содержания растворенных твердых веществ, которые вступают в реакцию в процессе ЭХОВ.  

multi-compound mine water treatment
Рис. 3. Пример очистки шахтной воды с различными соединениями.

Если содержание примесей высокое, перед ЭХОВ рекомендуется проводить предварительную обработку, например, нейтрализацию или по технологии с применением арсената железа. На Рис. 4 показано, как простое изменение уровня pH влияет на результаты очистки. Выбор походящей технологии предварительной обработки может обеспечить высокую эффективность ЭХОВ и сократить эксплуатационные расходы.  

The effect of pre-treatment on EWT results
Рис. 4. Влияние предварительной обработки на результаты ЭХОВ.

Эксплуатационные затраты технологии ЭХОВ состоят из потребляемой электроэнергии и электродов. Расход электродов прямо пропорционален подаваемому току согласно закону Фарадея. Расход электроэнергии тоже зависит от подаваемого тока, а также от электропроводности сточной воды и конструкции самой камеры. Это усложняет приблизительную оценку эксплуатационных затрат, поскольку они значительно варьируют в каждом отдельном случае. Как правило, энергопотребление составляет около 0,7–1,2 КВтч/м3, а расход железных электродов обычно колеблется в диапазоне от 0,5 до 0,2 кг/м3. На Рис. 5 и 6 показан пример соотношения уровня очистки и эксплуатационных затрат. В целом можно добиться постоянно низкой остаточной концентрации, но при этом эксплуатационные затраты увеличатся. Как правило, находится оптимальный баланс соотношения результатов очистки и расходов.

{{zoomedImageIndex + 1}}/2
{{ captions[zoomedImageIndex] }}
{{zoomedImageIndex + 1}}/2
{{ captions[zoomedImageIndex] }}

Metso Outotec EWT-40

Установка электрохимической очистки воды EWT-40 от Metso Outotec представляет собой новейшее доказательство интенсивных исследований и разработок компании Metso Outotec в сфере очистки воды. Metso Outotec объединила свой уникальный опыт в очистке воды, технологическом проектировании, электролизе и гидрометаллургии в рентабельном продукте модульной конструкции. Технологическое решение по электрохимической очистке воды представляет собой высокоавтоматизированный процесс, требующий минимального участия персонала и обеспечивающий высокую эффективность очистки воды. Установки электрохимической очистки воды компании Metso Outotec можно объединить в различные комплексы сепарации твердых веществ или жидкости для удаления тонких частиц с целью выполнения требуемых ограничений.

 

Outotec EWT-40 electrochemical treatment unit
Рис. 7. Установка электрохимической очистки воды EWT-40 Outotec представляет собой новейшее доказательство интенсивных исследований и разработок компании Metso Outotec в сфере очистки воды.

Решения Metso Outotec по электрохимической очистке воды могут применяться для различных задач: от удаления мышьяка, селена и сурьмы до металлических микроэлементов и органики. Наши решения по электрохимической очистке воды могут поставляться в виде отдельных комплексов и сопровождаться полными услугами по техобслуживанию, поставке запасных частей и поддержке при эксплуатации. Технология ЭХОВ является еще одним примером реализации нашей фирменной концепции контейнерных установок cPlant. Контейнерная установка состоит из сборных и прошедших функциональные испытания модулей внутри стальных рам размером с контейнер, которые можно легко перевозить, устанавливать и быстро внедрять в техпроцесс. Компания Metso Outotec также может предложить дополнительные услуги и комплексные решения от лабораторных опытов и до полупромышленных испытаний на площадке, концептуального анализа и ТЭО, базового и рабочего проектирования, а также разработку индивидуального решения для всего техпроцесса.

EWT
Рис. 8. Технология ЭХОВ является еще одним примером реализации нашей фирменной концепции контейнерных установок cPlant, которые можно легко перевозить, устанавливать и быстро внедрять в техпроцесс.

Заключение

Технология электрохимической очистки воды представляет собой решение для очистки разбавленных сточных вод или вод, которые уже прошли определенную обработку, но все еще не соответствуют строгим экологическим нормативам по предельно допустимому сбросу. ЭХОВ наиболее эффективна при удалении соединений, с которыми плохо справляются традиционные методы очистки воды, а именно сурьмы, мышьяка, кадмия и селена.

Электрохимическая очистка воды предоставляет нашим заказчикам три главных преимущества:

  • Соблюдение экологических нормативов.
  • Сокращение эксплуатационных затрат.
  • Упрощение принципа работы.

Кроме того, данную технологию можно применять для очистки в конце производственного цикла на действующих предприятиях, если необходимо соблюдение требований по предельно допустимому сбросу.

Статью подготовил Нико Исомаки (Niko Isomäki), менеджер направления очистки промышленных вод

Вернуться к Горная промышленность и металлургия